C++模板元编程----堆排序

前言

经过前两次经验的积累，终于来到了麻烦的堆排序。在一开始接触模板元编程的时候，我就期望有一天能够写出元编程堆排序的代码。原因是看了知乎大佬的一篇文章《在简历上写了“精通 C++”后……》。由于学识浅薄，感觉只能接触到模板元编程这一部分，所以便开始了对模板元编程的研究。经过多次的学习研究，最终在今天完成了这一成就。但是时间花了三个小时左右，所以时间肯定是不能达标了，但是也算是一个比较奇特的经历吧。

相比较于前两种排序方式，堆排序需要交换操作，更多的判断操作，随机读取等。这一些都不是模板元编程擅长的地方，但是幸运的是都是有办法实现。

实现的一些小细节

Debug

前两次实现的时候，运气很好，结束的时候都没有出现什么bug，但是这一次的比较麻烦，出现了比较严重的bug。但是由于限制，没办法进行很好的调试。于是通过编译器的报错机制，我写了一个元编程的断言。当输入的flag为false时，便会报错。

template<bool>

struct m_assert;

template<>

struct m_assert<true> {

    typedef int result_type;

};

template<>

struct m_assert<false> {};

使用的时候在需要查看的类里面，放入一个类似的语句，然后将flag改成相应的条件，就可以得到调用栈了。

typename m_assert<m_or<begin != 0, T::size != 3>::result>::result_type non_data;

实现的方法也很简单，就是区分true和false，当输入为true时，结构体便有result_type类型，而false则没有。此时如果使用其的result_type，便会产生报错，以便观察程序的调用。编译输出为：

但是这一种方法没办法打印当前调用的输出，因此我又增加了一层：

template<bool flag, typename ...T>

struct m_assert_print{

    typedef typename m_assert<flag>::result_type result_type;

};

使用方法也类似，如果需要打印当前调用的输出，便将要打印的内容作为T输入即可，譬如：

typename m_assert_print<m_or<begin != 0, T::size != 3>::result, result_type>::result_type non_data;

此时的编译输出为：

可以看到相比较之前的输出，这一次的输出多了一层，而在这一层里，包含了需要打印的内容。

惰性求值

我一开始一直以为C++是没有实现惰性求值的，但是经过一系列的实验，和查找资料，好像C++是存在一定的惰性求值的。譬如

template<>

struct m_assert<false> {};

template<bool flag, typename ...T>

struct m_assert_print{

    typedef typename m_assert<flag>::result_type result_type;

};

template<bool flag>

struct ErrorType {

    typedef typename m_assert<flag>::result_type result_type;

};

struct Test {

    typedef typename m_if<true, ErrorType<true>, ErrorType<false>>::result_type::result_type result_type;

};

如果是没有惰性求值的存在，这一段代码是应该报错的。因为在ErrorType<false>中引用了m_assert<fasle>::result_type。而在上一部分就提到过，应该是会必报错的。

而对于另一个写法

struct Test {

    typedef typename m_if<true, ErrorType<true>::result_type, ErrorType<false>::result_type>::result_type result_type;

};

编译期却提示错误，甚至将ErrorType模板修改成

template<bool flag>

struct ErrorType {

    typedef typename m_assert<flag>::result_type result1_type;

    typedef int result_type;

};

编译器也还是会报错。

通过查阅资料总结的话，编译期对于出现的模板并不会全部的具现化。但是如果使用了其中的类型，便会对其进行具现化[1]。因此，通过这个特性，是有办法设计出一些惰性加载的类，但是由于当时并不知道，所以实现的时候采取了偏特化的方法，防止编译时走向一些奇怪的方向。

简单的来说，就是通过增加一个valid输入，来判断需不需要对这个支线进行下去。如果为fasle，则返回默认值，如果为true，则返回操作后的值，配合m_if，便可以得到想要的结果。

总结

总的来说，模板元编程是C++里面一个比较有趣的部分。由于其晦涩难懂，也成为了许多大佬秀操作的地方。但是随着C++标准的完善，它的难度也在不断的降低。在C++17的时候，大部分的函数都可以使用constexpr来修饰了，这让模板元编程在值运算的时候失去了一部分函数式编程的特点。而C++20中的constraints和concepts，让模板偏特化有了更大的活力。

源代码：https://gist.github.com/ink19/9fdcca26e89655e8c1b80da56ee04c65

Ref

[1] https://www.jianshu.com/p/f2477d2c19ea

博客原文：https://www.cnblogs.com/ink19/p/cpp_template_heap_sort.html